运动诱导线粒体自噬对慢性疾病健康效应的研究进展

王宁伟，冯 红

(天津体育学院，天津市运动生理与运动医学重点实验室 天津 301617)

0 引 言

慢性病会降低居民的生活质量和加重人们的经济负担，缺乏运动是大多数慢性病发病的主要原因。运动会给机体带来多种健康益处，例如：改善脑血流量和神经发生；通过降低β-淀粉样蛋白负荷和高磷酸化tau蛋白水平来改善脑认知功能；改善线粒体功能，进而促进骨骼肌肌肉因子释放；抑制心脏生理性肥厚和促进心血管生成；抑制2型糖尿病患者的胰岛素抵抗和减低血糖水平[1-6]。运动促进健康可能是通过线粒体自噬来实现的，但其具体机制并未得到系统阐述。线粒体自噬是指受损或功能障碍的线粒体被自噬体特异性包裹并通过溶酶体降解的过程，其生成的小分子化合物可用于细胞的合成代谢；线粒体自噬可促进线粒体生物发生、线粒体融合和分裂，可提高线粒体质量。慢性疾病中运动导致线粒体自噬的作用尚未得到合理的科学解释。本文综述了不同运动形式和运动强度对机体线粒体自噬的影响及其在慢性疾病中的作用，旨在探究运动促进健康的科学原理，为亚健康人群慢性病预防和慢性病患者康复治疗的运动处方提供科学依据。

1 线粒体自噬

能量应激时线粒体自噬被初步激活，损伤线粒体出现快速放大的自噬信号，最后线粒体自噬受体通过其微管相关蛋白1轻链3(microtubule-associated protein 1 light chain 3，LC3)结构域(LC3-interactin region，LIR)与自噬体上的LC3相互作用，最终导致损伤线粒体被自噬体包裹。

1.1 线粒体自噬受体上游的分子信号

细胞内积累的一磷酸腺苷(adenosine monophosphate，AMP)可通过肝激酶B1(Liver kinase B1，LKB1)、转化生长因子β激活激酶(transforming growth factor beat activated kinase，TAK1)或钙调蛋白激酶(Ca2+/calmodulin-dependent kinase kinase，CaMKK)激活腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)；AMPK通过磷酸化激酶UNC-51样激酶-1(un-51 like autophagy activating kinase，ULK1)的丝氨酸555位点来激活ULK1，ULK1促进自噬体的生成和自噬体与溶酶体的融 合[7]。在运动介导的能量应激中，AMPK被激活从而启动线粒体自噬。

动力蛋白相关蛋白1(Dynamin related protein 1，Drp1)介导损伤线粒体部分从健康线粒体分离[8]。人体第10号染色体缺失的磷酸酶和张力蛋白同源物(phosphatase and tensin homolog deleted on chromosome ten，PTEN)介导的假定激酶蛋白1(PTENinduced putative kinase protein 1，PINK1)检测线粒体的健康状况。细胞质中的PINK1定位于健康线粒体后被蛋白酶体降解，而定位于损伤线粒体后将会诱导线粒体自噬[9]；PINK1使位于线粒体外膜的泛素磷酸化，泛素结合E3泛素连接酶Parkin并使其完全激活，Parkin在线粒体外膜招募更多的泛素，进而激活更多的Parkin。这一正反馈循环机制使得越来越多的泛素链连接线粒体外膜蛋白，进而快速放大了线粒体自噬信号。

1.2 线粒体膜上的线粒体自噬受体

线粒体外膜或内膜分布有自噬蛋白，可介导线粒体自噬。在缺氧条件下ULK1激活线粒体外膜上FUN14结构域蛋白1(FUN14 domain containing 1，FUNDC1)[10]，促使其与自噬膜上LC3的结合，并完成自噬体对损伤线粒体的包裹。磷酸甘油酸变位酶5(Phosphoglycerate mutase 5，PGAM5)和B细胞淋巴瘤2(B-cell Lymphoma 2，Bcl2)类蛋白1(Bcl-2-Like Protein 1，Bcl2L1)也可调控FUNDC1。PGAM5通过促使FUNDC1的S13位点去磷酸化，激活FUNDC1诱导线粒体自噬，而BcL2L1通过与PGAM5结合阻止FUNDC1的S13位点去磷酸化，并抑制线粒体 自噬[11-12]。

另有其他线粒体外膜蛋白介导自噬。Bcl-2/E1B相互作用相似蛋白3(NIP3-like protein X，NIX)对于红细胞中的线粒体清除是必需的[13-14]，S17或S24位点磷酸化的Bcl-2/E1B-19相关蛋白3(Bcl-2/E1B-19kDa interacting protein 3，BNIP3)与LC3相互作用增强线粒体自噬[15]。有研究表明线粒体内膜蛋白也参与介导线粒体自噬。在线粒体去极化和蛋白酶体依赖的线粒体外膜破裂时，线粒体内膜蛋白抗增殖蛋白2(Prohibitin 2，PHB2)与LC3相互作用，表达PHB2增加Parkin招募，PHB2缺失影响PINK1在线粒体外膜的稳定[16-17]。

线粒体外膜或内膜上分布有自噬受体，其通过与自噬膜上LC3结合促进自噬。这些线粒体膜上的自噬受体并不与PINK1、Parkin诱导产生的线粒体外膜上泛素链相互作用，但是PINK1、Parkin可能参与膜上自噬受体的自噬过程，如PHB2通过Parkin参与的线粒体外膜破裂发挥自噬作用。

1.3 泛素链连接的线粒体自噬受体

PINK1/Parkin途径介导的线粒体自噬过程中，泛素链连接了多种线粒体自噬受体。其中视神经素(Optineurin，OPTN)和核点蛋白52(nuclear dot protein 52，NDP52)作为泛素和LC3之间的桥梁，促进了受损线粒体的有效清除。有研究证明，PINK1虽然不依赖Parkin招募NDP52和OPTN到受损线粒 体[18]，但不能否认的是Parkin增强了PINK1的作用。有研究称p62自噬作用不依赖PINK1介导的线粒体蛋白泛素化[19]，表明线粒体自噬存在PINK1/Parkin途径之外的线粒体蛋白泛素化途径。然而也有研究称Parkin诱导线粒体蛋白泛素化偶联，并且被p62识别诱导线粒体自噬，同时还能防止过度的炎症小体激活[20]。

一般认为PINK1/Parkin通路快速放大了线粒体自噬信号，但也有人对此提出质疑。合理的解释可能是Parkin并没有直接参与线粒体自噬，而仅仅作为PINK1磷酸化泛素的放大器。定位于线粒体内膜和外膜的自噬受体与PINK1/Parkin通路有一定联系[21]。

2 运动诱导的线粒体自噬

收缩的骨骼肌纤维会释放活性氧，可增强肌肉运动适应能力，但过量的活性氧会导致肌肉中氧化脂质和蛋白的增加，进而破坏细胞膜、线粒体膜和内质网的结构。大脑线粒体会产生大量活性氧，其诱导的毒性是导致神经退行性疾病的确切因素[22]。氧化应激时，内源性活性氧大部分来自线粒体内膜呼吸链，而线粒体功能失调激活腺苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3(Nucleotide-binding oligomerization domainlike receptor protein 3，NLRP3)增强炎症反应[23]。急性运动导致的线粒体应激通过激活NLRP3炎性小体触发大鼠的心肌炎症，通过激活线粒体自噬和减少心肌损伤。Parkin和PINK1基因敲除小鼠力竭运动后，表现出了强烈的炎症反应[24]。另外，有研究表明通过刺激自噬能够改善线粒体质量和去除线粒体活性氧，从而可能带来抗炎益处[25]。已知功能障碍的线粒体与多种慢性疾病相互联系，而体育锻炼能够有效激活线粒体自噬。慢性疾病中运动诱导的线粒体自噬的激活受到了广泛关注。有研究报道，在一次下坡跑台训练后大鼠骨骼肌中的PINK1、Parkin、泛素、p62和LC3的表达水平增加，这有助于维持骨骼肌细胞稳 态[26]和提示运动诱导线粒体自噬。很多研究报道了运动对线粒体自噬的作用，但研究结果不一致。

2.1 预运动

预运动使大鼠心肌中LC3Ⅱ/Ⅰ比率升高，直接力竭运动会降低LC3Ⅱ/Ⅰ比率，而在预运动与力竭运动相结合的方案中LC3Ⅱ/Ⅰ比率无变化[27]。力竭运动不能激活心肌线粒体自噬，但预运动对心肌保护有帮助。力竭运动后心肌LC3的积累说明自噬体降解受损，预运动能够通过Parkin促进线粒体自噬，然而没有观察到运动诱导BNIP3途径的线粒体自噬[28]。可能是因为低氧状态BNIP3诱导的线粒体自噬是最显著的，这提示线粒体自噬受体的特异性。预运动的运动方案可有效激活自噬，单一力竭运动的运动方案则没有，这提示坚持长期运动习惯的重要性。长时间不运动后进行剧烈运动并不能带来直接的健康效应，因此，运动训练应该坚持循序渐进的原则。

2.2 急性运动

AMPK-ULK1通路的激活表示自噬的启动，运动后观察到了AMPK-ULK1通路的激活。FUNDC1作为ULK1下游的线粒体自噬受体，在运动时诱导线粒体自噬[29]。

在急性运动后的骨骼肌和心肌中观察到LC3Ⅰ向LC3Ⅱ转化的下降和p62表达的减少，表明细胞自噬被激活。线粒体自噬相关蛋白LC3和BNIP3表达的增加，表明急性运动诱导心脏线粒体自噬[30]。在骨骼肌中也有运动诱导线粒体自噬的证据，表明急性运动后在啮齿动物和人类骨骼肌中都有BNIP3表达的增加[31-32]。另有文献表明急性运动促进小鼠LC3、p62 mRNA表达和LC3脂化，但是p62表达并没有增加[33]，这与之前提到下坡跑台训练后大鼠骨骼肌线粒体部分p62表达水平增加相互矛盾。或许可以认为小鼠力竭运动后骨骼肌线粒体部分p62表达没有增加，可能是过于剧烈的运动抑制了线粒体自噬。同样是急性运动，只是运动强度决定了线粒体自噬的激活。

运动诱导线粒体自噬相关蛋白PINK1和Parkin的表达同样存在争议。有报道称在小鼠运动后骨骼肌中发现Parkin介导的线粒体自噬[34]；也有研究证明小鼠骨骼肌中PINK1不参与运动诱导的线粒体自噬，但在HeLa细胞的线粒体自噬中发现了PINK1的表达[35]。在这2项研究中，运动方案中的强度不同，再次提示了运动强度的作用。

2.3 耐力运动

8周运动训练使线粒体自噬调节能力增强。6周自愿转轮运动后小鼠骨骼肌线粒体自噬基础水平下降，表明运动训练使线粒体健康水平升高[36]。一项小鼠6周自愿转轮运动实验证明，Parkin并不参加基础水平的线粒体自噬，在运动诱导的线粒体自噬后Parkin表达增加[36]。这在一定程度上解释了Parkin不直接参与线粒体自噬，而是作为PINK1磷酸化泛素的放大器。有研究认为运动后线粒体整体健康状况得到改善，急性应激导致线粒体自噬的病理激活也会减弱[37]。长期耐力训练激活线粒体自噬，提高线粒体质量，促进机体健康。在运动诱导的线粒体自噬中，还有多种线粒体自噬受体未见报道，今后的研究应集中在更多的组织器官和更多的线粒体自噬相关分子机制。

3 运动诱导线粒体自噬对慢性疾病产生的健康效应

3.1 运动诱导线粒体自噬在衰老骨骼肌中的作用

有研究表明，衰老大鼠骨骼肌线粒体自噬上调、骨骼肌慢性收缩活动后线粒体自噬减少[38]，提示运动激活线粒体自噬后显著改善了线粒体质量，因而线粒体自噬减少。衰老易患肢体缺血，运动通过增强线粒体分裂和选择性自噬促进衰老小鼠的病后恢复[39]。抗阻力训练后年轻男性肌肉活检显示自噬相关蛋白LC3-Ⅱ的表达上调，老年男性并未出现这种情况[40]，提示衰老可能抑制运动诱导的线粒体自噬。另外，在动物实验中线粒体自噬减少，而人体实验中自噬相关蛋白表达上调，还可能是因为检测的组织成分不同导致结果不同，动物实验检测的是线粒体蛋白表达，人体实验检测则是全细胞成分的蛋白表达。骨骼肌的线粒体自噬可能受到衰老影响，但不能否认衰老人群中出现运动诱导自噬的健康效应。

3.2 运动诱导线粒体自噬在代谢性疾病中的作用

高脂饮食会导致线粒体应激和骨骼肌中受损线粒体的积累，而运动训练可预防和逆转这些异常。高脂饮食会导致小鼠非酒精性肝炎，自愿转轮运动和强制运动训练都能促进肝脏自噬和线粒体生物发生，只有相对较大强度的强制运动训练才能促进线粒体自噬和减少线粒体损伤[41]。高脂饮食小鼠线粒体质量控制失调，其中自噬相关蛋白BNIP3表达水平降低，自愿转轮运动后高脂饮食小鼠和正常饮食小鼠LC3-Ⅱ/Ⅰ比率上升，同时p62蛋白含量下降[42]。代谢改变可能通过触发机体炎症影响线粒体自噬相关蛋白的表达，进而影响线粒体自噬。运动训练可激活线粒体自噬和改善代谢性疾病导致的线粒体损伤，且与运动强度密切相关。另有研究表明，糖尿病患者进行 3个月耐力训练后，其骨骼肌自噬相关蛋白BNIP3和LC3-Ⅱ/Ⅰ的比值没有发生明显变化[43]，提示不同程度的病理情况可能影响运动对骨骼肌线粒体自噬的激活。

3.3 运动诱导线粒体自噬在心肌梗死中的作用

有文献表明线粒体自噬在心肌缺血再灌注带来的损伤中发挥重要作用。老年小鼠心肌梗死后PINK1和Parkin表达降低，而LC3-Ⅱ和p62表达上调，表明自噬受到抑制[44]。3周游泳训练后心肌梗死小鼠的心肌代谢得到改善，自噬、凋亡和心肌梗死的面积均降低[45]。运动可能通过自噬改善心肌梗死带来的病理影响。经8周每天15 min的游泳训练可上调PINK1和Parkin的表达，以及减少LC3-Ⅱ和p62的积累；而每天60 min的游泳训练没有缓解心肌梗死后PINK1/Parkin表达的降低，且会导致更多的LC3-Ⅱ和p62的积累[44]，提示过高的运动强度可能是线粒体自噬被抑制的原因。心肌梗死的大鼠线粒体融合蛋白2(mitofusin2，MFN2)、过氧化物酶增殖体激活受体γ辅激动子1α(peroxisome proliferatoractivated receptor γcoactivator 1α，PGC-1α)、Parkin和p62表达下调，而动力蛋白相关蛋白1(dynamin related protein 1，DRP1)表达增加[46]。中等强度间歇运动后MFN2和PGC-1α表达显著上升，DRP1表达显著下降[46]。在高、中、低强度间歇运动后，自噬相关蛋白p62和Parkin都有上调的趋势，且中强度间歇运动趋势最明显[46]。由此可见，适当的运动强度对于线粒体质量控制非常必要。

3.4 运动诱导线粒体自噬在阿尔茨海默症中的作用

运动诱导小鼠脑的线粒体合成代谢和维持脑皮层的线粒体自噬。高强度间歇运动可以激活PINK1/Parkin通路的线粒体自噬和改善阿尔茨海默症小鼠的线粒体功能，但并没有激活BNIP3途径的线粒体自噬，可能是因为低氧时BNIP3活性较高且运动提高脑血流量。有学者对阿尔茨海默症的治疗提出了新的可能，运动通过激活沉默信息调节因子1(silent mating type information regulation 2 homolog 1，SIRT1)来增强线粒体自噬[47]；另外，进一步研究发现跑台训练可减少阿尔茨海默症小鼠海马区线粒体p62和PINK1的表达，可上调LC3-Ⅱ和Parkin表达水平，表明线粒体自噬的增强[48]。运动后PINK1的表达降低，说明运动有效清除损伤和功能障碍的线粒体。LC3Ⅱ的增多和p62的表达降低说明线粒体自噬活性的升高。运动后Parkin表达上调与PINK1低表达二者相互矛盾，尽管有研究证明了PINK1促进Parkin表达[49]，但目前的证据表明Parkin可能不依赖PINK1来稳定线粒体。相似的研究支持上述观点，12周跑台训练提高阿尔茨海默症小鼠脑组织中Parkin的表达，降低PINK1和自噬标记物p62的表达，但LC3的表达水平有差异[50]。这2个研究检测的LC3的脂化水平不同，检测的脑组织部位也不同(海马或皮层)，这可能是导致LC3的表达有差异的原因[50]。虽然研究结果不同，但不能否认运动诱导的线粒体自噬对阿尔茨海默症的治疗效果。运动能够有效激活线粒体自噬、清除损伤的线粒体、促进线粒体健康，但自噬相关蛋白可能因为不同的运动强度而表现出特异性。

4 结 论

在运动对慢性疾病的防治中，线粒体自噬发挥了重要作用。无论是在正常机体，还是在衰老和慢性疾病状态下，运动都可激活线粒体自噬。一般认为低强度运动不能激活线粒体自噬，高强度剧烈运动抑制线粒体自噬，而中强度运动可有效激活线粒体自噬。坚持长期中强度运动可有效提高线粒体质量、增强线粒体功能，从而为机体带来健康效应。运动诱导线粒体自噬的研究多集中于脑、心肌和骨骼肌，科学的运动处方需要更多组织器官的分子机制研究。在线粒体自噬的多种分子机制中，运动在其中扮演的角色也需要一一验证。